基于JMatPro 軟件的ZG70CrMo 鋼的熱處理工藝研究

莊巧玲

（金堆城鉬業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西華縣 714102）

大型化、高效化、連續(xù)化和智能化是我國制造裝備的發(fā)展方向，但是與之配套的耐磨部件和耐磨材料消耗量大、運(yùn)轉(zhuǎn)效率低、制造成本高。半自磨機(jī)由于取代了常規(guī)中細(xì)碎、篩分和礦石轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)，使流程縮短，綜合運(yùn)行成本降低，勞動(dòng)生產(chǎn)率得到提高[1]，被廣泛應(yīng)用于銅礦、鐵礦和鉬礦等冶金礦山領(lǐng)域。隨著磨機(jī)規(guī)格越來越大、自動(dòng)化程度越來越高，襯板磨損問題便逐漸凸顯出來，因襯板耐磨性能不足，導(dǎo)致襯板頻繁更換，使得設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率降低，單位磨礦成本增加[2]。

為此，本文利用JMatPro 軟件對(duì)耐磨鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT）、等溫轉(zhuǎn)變曲線（TTT）、端淬曲線及組織分布進(jìn)行了計(jì)算和模擬，據(jù)此設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，采用水霧淬火工藝進(jìn)而研究耐磨材料在不同淬火溫度，不同保溫時(shí)間，不同回火溫度，不同回火時(shí)間下的組織和性能。

1 試驗(yàn)材料及方法

ZG70CrMo 合金鋼的成分見表1，應(yīng)用JMat-Pro 軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。

表1 化學(xué)成分范圍 ωB/%

用中頻感應(yīng)爐進(jìn)行試驗(yàn)鋼的熔煉，使用水玻璃寶珠砂造型，醇基鋯英粉涂料，澆注成基爾試塊，然后線切割取10mm×10mm×55mm 規(guī)格試樣，試樣經(jīng)熱處理后進(jìn)行金相觀察、硬度和沖擊韌性等測試。

2 模擬結(jié)果與分析

使用材料模擬軟件JmatPro7.0，通過模擬TTA曲線、CCT 曲線和TTT 曲線即可獲得試驗(yàn)材料的相變溫度。

2.1 平衡相圖

由圖1 可以看出，該合金液相線溫度為1464.46℃，在該溫度時(shí)高溫鐵素體析出，隨著溫度降低，高溫鐵素體增多，當(dāng)合金溫度達(dá)到固相線溫度1357.54℃時(shí)，合金轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，同時(shí)還有極少量的MNS 相，該合金的A3溫度為770℃，A1溫度為726.04℃。合金在室溫下的平衡相主要由90.78%的鐵素體，6.52%的碳化物M7C3，2.62%的碳化物M23C6，0.08%的碳化物MNS 相組成。

圖1 合金的平衡相圖

2.2 合金的TTA 圖的計(jì)算

通過軟件的快捷鼠標(biāo)功能可以看到不同加熱速度時(shí)合金的A1溫度、A3溫度、奧氏體均一化的溫度及時(shí)間，其結(jié)果如圖2 所示。

圖2 合金的TTA 圖

從表2 中可以看出，隨著加熱速度的增加，合金的相變溫度均提高，奧氏體均勻化溫度也提高，奧氏體均勻化時(shí)間減少，即加熱速度越大，合金在高溫下的保溫時(shí)間減少。實(shí)際的熱處理工藝中加熱速度受到工件結(jié)構(gòu)、合金熱導(dǎo)率、熱處理爐功率等因素的影響。之后合金的CCT、TTT 曲線計(jì)算時(shí)合金的奧氏體化溫度均選擇為910℃，奧氏體化升溫速度選擇為30℃/min。

表2 加熱速度對(duì)奧氏體化參數(shù)的影響

2.3 合金的TTT 及CCT 圖的計(jì)算

圖3 為合金TTT 曲線的計(jì)算結(jié)果。從圖上可以看出鋼在奧氏體化后冷卻過程中，析出鐵素體、珠光體、貝氏體的最早溫度分別為734.2℃、768.9℃和446.1℃。馬氏體的開始轉(zhuǎn)變溫度為207.6℃，轉(zhuǎn)變終了溫度為76.3℃。合金的C 曲線出現(xiàn)兩個(gè)“鼻尖”，第一個(gè)“鼻尖”溫度為637℃，過冷奧氏體在此溫度下保溫528.43s 后有珠光體開始析出。第二個(gè)“鼻尖”溫度為387℃，過冷奧氏體在此溫度下保溫84.21s 后貝氏體開始析出。

圖4 為合金的CCT 曲線圖，從圖上可以看出相變區(qū)域分為鐵素體區(qū)、珠光體區(qū)、貝氏體區(qū)和馬氏體區(qū)。通過軟件的快捷鼠標(biāo)功能可以看出不同冷卻速度下的合金組織，隨著合金冷卻速度增加，鐵素體、珠光體的數(shù)量減少，貝氏體和馬氏體的數(shù)量增加，合金要想獲得馬氏體臨界冷卻速度為10℃/s。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)模擬結(jié)果，本文研究了采用奧氏體化溫度、保溫時(shí)間、回火溫度作為因子，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，分別以洛氏硬度和沖擊韌性作為目標(biāo)，進(jìn)行正交試驗(yàn)，探索最佳的熱處理工藝。

3.2 結(jié)果及分析

3.2.1 力學(xué)性能

表3 正交試驗(yàn)因素及水平表

圖3 合金的TTT 曲線

圖4 合金的CCT 曲線

表4 正交試驗(yàn)表

對(duì)試樣洛氏硬度和沖擊韌性測試，其結(jié)果如表5 所示。

從表5 中可以看出，以鑄態(tài)樣品性能為基線，3#、5#、7#和9#樣品硬度低于鑄態(tài)樣品，與之對(duì)應(yīng)其沖擊韌性無法測量，即在300J 的沖擊功作用下，樣品未斷裂。1#、2#、4#、6#和8#樣品硬度高于鑄態(tài)樣品，并且其沖擊韌性有明顯提升，尤其是2#樣品提高了521%。為進(jìn)一步確定最優(yōu)熱處理方案和下一步改進(jìn)方向，本試驗(yàn)對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，具體結(jié)果如表6 所示，其中Ki為各水平硬度指標(biāo)的和，ki 為其對(duì)應(yīng)的平均硬度值。

根據(jù)極差Rj 的大小，可以判斷各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響主次。本次試驗(yàn)極差Rj 計(jì)算結(jié)果見表6，比較各R 值大小，可見RC＞RB＞RA，所以因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序是C→B→A。即回火溫度影響最大，其次是保溫時(shí)間，而奧氏體化溫度的影響較小。其中，性能最好的是第1 組，即奧氏體化溫度為830℃，保溫時(shí)間40min，回火溫度550℃。其洛氏硬度為38.50HRC，沖擊功為165J。

表5 正交試驗(yàn)力學(xué)性能結(jié)果

表6 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.2 顯微組織

為進(jìn)一步分析樣品性能提高的原因，對(duì)樣品進(jìn)行金相組織分析，如圖5 所示。由金相組織圖5a～i 可以看出，試樣鋼經(jīng)過高溫回火后，組織較為細(xì)密，主要為回火索氏體組織。比較1#、2#、3#試驗(yàn)可以看出隨著保溫時(shí)間和回火溫度的升高，鐵素體的比例逐漸增大，析出的細(xì)粒狀滲碳體分布在鐵素體基體之上，結(jié)合力學(xué)性能可以看出，材料的硬度逐漸下降，塑韌性提高。

比較1#和4#，1#和7#，2#和5#試驗(yàn)可以看出隨著奧氏體化溫度和回火溫度的升高，鐵素體的量也在增多，片層結(jié)構(gòu)變化較為明顯，表現(xiàn)出材料硬度逐漸減小，塑韌性較好。由1#和6#試驗(yàn)可以看出奧氏體化溫度和保溫時(shí)間的升高，材料的組織由細(xì)密組織，轉(zhuǎn)變?yōu)檩^多鐵素體分布組織。由3#和9#，4#和7#可以看出隨著奧氏體化溫度增高，鐵素體的量也在增大，組織細(xì)密程度減小，從而可以看出奧氏體化溫度不宜過高。

對(duì)試樣進(jìn)行綜合分析可以看出1#為典型的回火索氏體組織，在鐵素體基體中均勻分布著細(xì)粒狀滲碳體，組織分布較均勻，同時(shí)，力學(xué)性能也最理想。

4 結(jié)論

通過正交試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，最佳熱處理工藝為830℃保溫40min，然后進(jìn)行水霧淬火，最后回火處理550℃保溫120min，得到的樣品性能為：硬度38.5HRC，沖擊韌性165J/cm2，金相組織為回火索氏體。

圖5 各組試驗(yàn)樣品1000×照片